北京
全球每年都有巨量的农林废弃物被遗留下来，这些废料中含有木质素——一种让茎干和木材保持坚硬的物质。木质素在这些被丢弃的生物质中比例最高可达35%，它也是自然界最大的可再生芳香族化学品供应源。芳香族化学品是指那些基于稳定环状结构构建的碳基化合物。
但这种化学稳定性恰恰成了麻烦。木质素内部杂乱的强键网络排斥常规的加工手段，这让把这种丰富的原料转变成可持续制造所需的实用产品变得极其困难。
为了攻破这道壁垒，一个包括曼彻斯特大学化学工程系Christopher Parlett博士、周欣悦和蒋玉涛在内的国际研究团队，开发出了一种专门应对这一挑战的催化剂。他们的成果发表在《ACS Catalysis》期刊上。这项工作不仅展示了高效的木质素转化能力，还厘清了负责撕裂其最强化学键的分子机制。
这是一种“单原子催化剂”。也就是说，它的活性金属以单个原子的形式散开，而不是聚集成较大的颗粒。在这项研究中，孤立的钌原子被锚定在含有额外氮原子的碳材料中。用这种方式把钌原子隔离开，能让更多的金属参与到化学反应中来，同时把所需要的金属用量降到最低。
更难的地方在于，找出究竟是哪一种精确的原子排列在发挥化学作用。搞不清楚活性结构，研究人员想要改进催化剂就只能靠反复试错。
这项研究确认了一种名为“Ru–N₄位点”的构型是关键的化学反应中心。在这些位置上，一个钌原子被周围的氮原子固定在原位，创造出一个可以激活氧分子的场所。这种氧活化过程至关重要，因为普通的氧气活性不够强，不足以有效拆解木质素。一旦被转化成更具活性的形态，它们就能去攻击那些加固木质素分子网络的碳-氧键和碳-碳键。
研究人员将实验室测量与计算模型相结合，一步一步追踪了这个反应序列。实验数据展示了生成了哪些产物，而计算结果则帮助解释了在此过程中原子和化学键是如何变化的。综合证据表明，催化剂首先激活了氧气，随后利用生成的活性物质将木质素切成了更小的分子。
在优化后的条件下，这种催化剂几乎将测试中使用的所有模型木质素化合物都转化掉了。反应还产生了高价值的产物，例如苯酚——一种用于制造多种材料的芳香族化学品。整个反应过程在相对温和的条件下进行，不需要苛刻的化学处理手段。降低对极端工艺的需求，有望显著削减能源消耗和生产成本。
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